CN1117887C - 制造半导体器件的化学汽相淀积装置及其驱动方法 - Google Patents

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    • C23C16/00—Chemical coating by decomposition of gaseous compounds, without leaving reaction products of surface material in the coating, i.e. chemical vapour deposition [CVD] processes
    • C23C16/44—Chemical coating by decomposition of gaseous compounds, without leaving reaction products of surface material in the coating, i.e. chemical vapour deposition [CVD] processes characterised by the method of coating
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Abstract

本发明提供制造半导体器件的化学汽相淀积(CVD)装置，包括：处理室；为处理室供应处理气体的处理气体供应管线；废气排放管，用于在处理后将处理室内的废气排放出去；清洗气体供应管线，用于向处理室内供应ClF3气体；取样歧管，用于利用压力差从处理室内提取气体样品；及QGA-QMS，用于分析取样气样，并利用上述RGA-QMS通过分析，根据处理室内的气体流量、压力和温度优化结束点。

Description

制造半导体器件的化学汽相淀积装置及其驱动方法
本发明涉及一种制造半导体器件的化学汽相淀积装置、其驱动方法及优化处理室的清洗工艺方案的方法，特别涉及在对半导体晶片的特殊处理后利用具有质谱仪的残留气体分析仪四极质谱仪(RGA-QMS)现场清洗处理室的方法。
一般情况下，在具有已设定的某些处理条件的处理室中进行半导体器件的制造工艺。具体说，在对半导体晶片进行CVD(化学汽相淀积)工艺时，不仅在晶片上形成某层，而且会在处理室炉管的内壁上及在处理室和锁定室间运载并贮存晶片的船上也形成(材料)层。由于这些层在装载/取出晶片期间产生应力，所以会成为产生颗粒的因素，这进而会导致在制造工艺期间在晶片上形成缺陷。
为了减少形成缺陷的因素，要对处理炉管重复进行一定时间的PM(预防保养)处理，但由于设备会因此而中断运行，所以降低了半导体器件的生产率。
图1展示了一般处理炉管的常规PM流程。首先，在对半导体晶片进行了特定处理后将系统冷却。处理室完全冷却后，一个一个地将处理室的炉管取出，以便对炉管进行湿法腐蚀(清洗)。湿法腐蚀一般采用例如HF类化学试剂，以便去掉处理炉管内的多晶硅膜或氮化硅膜。然后，将拆下的炉管顺序组装到处理室中，操作真空泵，进行真空测试。然后进行处理再验收，看处理室是否可以进行新一轮处理，看进行下一轮处理的处理条件是否已基本建立。
然而，上述PM处理会导致人力和财力上的一系列问题，而且要花24小时进行处理。因此，为了克服这些问题，进行使用NF3和CF4气体的等离子腐蚀代替湿法腐蚀，或用热冲击技术去掉处理室内因热应力而形成的层，或利用ClF3和BrF5进行干法腐蚀。
然而，即使采用了这些技术，仍然要拆下和组装炉管，所以仍存在处理时人力和物力及处理时间的问题。
本发明旨在提供一种制造半导体器件的CVD装置，利用该装置可以现场清洗处理室，该装置配有清洗气体供应管线、取样歧管及气体分析仪，基本上能够克服由于现有技术的缺点和局限造成的一个或多个问题。
本发明另一目的是提供一种驱动本发明制造半导体器件的CVD装置的方法，其中对晶片进行特定的处理，并在取出半导体晶片后对处理室内部进行现场清洗。
本发明再一目的是提供一种优化处理室清洗工艺方案的方法。
为实现这些和其它优点，根据所具体实施和概括说明的本发明目的，本发明的CVD装置包括：在其中进行制造半导体器件的淀积处理的处理室；为处理室供应处理气体的多个处理气体供应管线；废气排放管线，用于在处理后借助泵抽装置将处理室内的废气排放出去；清洗气体供应管线，用于向处理室内供应清洗气体；与处理室相连的取样歧管，用于借助压差从处理室取出气样；及气体分析仪，用于分析从取样歧管取出的气样。
优选地，处理室为低压化学汽相淀积(LPCVD)室，该处理室包括密封的外管和位于外管内且其顶部敞开的内管。清洗气体为ClF3，这种清洗气体供应线通过管道连接到内管中，取样歧管与外管通过管道相连。
取样歧管上装有临界管嘴，以便其内的压力保持与处理室相同，取样歧管从外管相连的连接点起依次包括第一气阀、第二气阀、第一隔离阀、第二隔离阀、第三隔离阀及门阀。
另外取样歧管上还装有冲洗气供应管线。取样歧管的冲洗气供应管线与分别来自冲洗气供应源的第一气阀和第二气阀相连，另外在它们之间还分别设置有第三和第四气阀。另外，取样歧管的第一和第二隔离阀之间较好是还装有电容压力计(CM)和取样泵，以便控制取样歧管的第一压力。
另外还装有清洗器，用于清洗通过废气排放管线的泵抽装置的废气，通过取样泵的气体将通过该清洗器排出。
气体分析仪是RGA-QMS(残留气体分析仪四极质谱仪)，包括质量分析仪、涡轮泵和低温干燥泵，而且较好是该气体分析仪为环保型。
驱动制造半导体器件的CVD装置的方法，其中CVD装置包括：处理室；为处理室供应处理气体的多个处理气体供应管线；废气排放管线，用于在处理后将处理室内的废气排放出去；清洗气体供应管线，用于向处理室内供应清洗气体；与处理室相连的取样歧管；及气体分析仪，用于分析从取样歧管取出的气样，该方法包括以下步骤：(a)从取样歧管取出处理室的气体样品；(b)低温干燥气体的同时排气，以便将分析仪的本底降低到一定值；(c)对每个处理气供应管线进行污染分析；(d)对置于处理室中的半导体晶片进行特定的处理；(e)在上述处理完成后取出半导体晶片，并排出处理室内的废气；以及(f)在现场供应清洗气体的同时清洗处理室内部。
在取样前，利用冲洗气体连续冲洗取样歧管和气体分析仪，这可以很好地提高气体分析仪的精度，使氮气流过每个单独的处理气体供应管线，并检查是否存在泄漏，由此对处理气供应管线进行污染分析。较好是，半导体晶片的制造工艺是在晶片上形成包括硅的层，在保持处理室内压力和温度均匀的同时均匀地供应作为清洗气体的氮气和ClF3，来进行清洗处理，从而容易探测清洗处理的结束点。
该方法还包括在清洗处理前/后测量处理室内部颗粒的步骤，还包括在清洗处理前/后测量处理室内的金属/离子污染以便确定清洗处理效果的步骤。
为实现本发明的再一目的，提供一种优化处理室清洗工艺方案的方法，其中所述清洗工艺在对设置于处理室内的晶片进行了特定处理后，利用为处理室供应清洗气体的清洗气体供应管线、与处理室相连的取样歧管及分析来自取样歧管的取样气体的气体分析仪现场进行，该方法包括：(a)在对半导线晶片进行了特定处理后，通过在保持处理室内部压力和温度恒定的同时，供应一定量的作为清洗气的氮气和ClF3直到气体分析仪探测到清洗结束点，由此清洗处理室；(b)在对另一半导体晶片进行了同样的特定处理后，通过供应一定量的作为清洗气的氮气和ClF3，改变处理室内部压力和温度直到气体分析仪探测到清洗结束，由此清洗处理室。
优选地，由腐蚀气体和腐蚀产物量幅值的交叉点确定气体分析仪的结束点。
根据本发明，利用取样歧管和气体分析仪，对半导体晶片进行了特定处理后，在利用ClF3气在处理室内现场进行清洗处理时，可以准确地监测气体结构，并优化清洗工艺的方案，所以可以简化工艺，提高生产率。
应该理解，上述一般性的说明和以下详细说明皆是例示性和解释性的，旨在对本发明进行进一步的解释。
各附图中：
图1是展示制造半导体器件的常规化学汽相淀积(CVD)装置的处理炉管清洗工艺的常规流程的简图；
图2是展示本发明一个实施例的制造半导体器件的CVD装置的示意图；
图3展示了根据本发明一个实施例在图2的CVD装置中进行工艺分析和清洗工艺的流程；
图4展示了对本发明一个实施例的存储多晶硅淀积工艺的分析走向；
图5展示了对本发明一个实施例的清洗处理的分析走向；
图6是根据本发明一个实施例清洗处理过程中相关的腐蚀速率与处理室内部压力的关系曲线图；
图7是根据本发明一个实施例清洗处理过程中相关的腐蚀速率与处理室内部温度的关系曲线图；
图8是根据本发明一个实施例清洗处理过程中相关的腐蚀速率与处理室内ClF3流量的关系曲线图。
下面参照示于各附图中的实例详细说明本发明的优选实施例。
图2是展示本发明一个实施例的制造半导体器件的CVD装置的示意图。处理室10具有双炉管，即外炉管14和内炉管16。在处理室10内，可以进行例如淀积工艺、等离子工艺、扩散工艺或CVD工艺等各种处理。锁定室12装在处理室之下，支撑要处理的晶片的船18借助升降器20在处理室10和锁定室12之间上下运动。
为处理供应处理气的气体供应管线22与内炉管16的下侧相连，其上分别设置有通向SiH4供应源24、PH3供应源26、N2供应源28和ClF3供应源的气阀32、34、36、38、40。ClF3供应源30是以下所述的清洗气供应源。
气体供应管线22可以具有针对每种处理气或清洗气的单独管道。
同时，在利用清洗器46的清洗后，处理后的废气借助排出泵44通过排出管42排放。
为了测量处理室10内发生的气体变化情况，在外炉管14上安装取样口48，利用柔性的连接装置52将取样口48连接到取样歧管50上。取样歧管50的取样管54是不锈钢的，并且采用的是电抛光处理的管，其直径为3/8英寸。沿着取样管54，依次形成有第一气阀62、第二气阀66、第一隔离阀68、第二隔离阀70、第三隔离阀72和门阀74。第一隔离阀68和第二隔离阀70上分别形成有100微米的管嘴，第三隔离阀72上形成有250微米的管嘴。
同时，取样歧管50具有N2供应源56，以便一直供应冲洗气，甚至在不取样时也如此，源于供应源56的N2气供应管线在歧点58分开，并且一路与第一气阀62相连，另一路与第二气阀66相连。另外，在第一隔离阀68和第二隔离阀70之间安装CM计76。取样管54在它们之间分开，并通过取样泵90，且与清洗器46相连。
同时，具有门阀74的取样管54有一连接于其背部上的气体分析仪80。该气体分析仪80采用的是市场上可买到的RGA-QMS(残留气体分析仪—四极质谱仪)，包括质谱仪84。它通过涡轮泵86和低温干燥泵88，并与清洗器46相连。离子规82安装于质量分析仪84上。
同时，用于本发明的ClF3气为还可以用于清洗多晶硅、氮化硅、硅玻璃、和硅化钨的清洗气。其可以用于低温状态及等离子状态，具有优异的化学选择性，所以可以在等离子体不能到达的地方进行腐蚀。另外，其还有一个优点是几乎不会在晶片表面上产生颗粒，并且一般由不活泼的例如PN2等气稀释到浓度为20±5vol％。尽管处理室的低压对于腐蚀处理室内的材料层很有利，但较高的腐蚀气混合比对于提高腐蚀速率是很有利的。较好是在引入ClF3之前，预先以高于ClF3沸点的温度加热处理室，对于理想的腐蚀速率来说较好是高于400℃。由于ClF3为很活泼的气体，所以如果腐蚀速率太高，会腐蚀炉管本身，造成炉管厚度变薄，缩短其寿命。有时由于气体分布系统(GDS)内的少量水导致的气体聚集会造成对真空室的损伤，所以重要的是精确控制处理室的冲洗周期或清洗时间。
另外，由于ClF3性质的缘故，ClF3供应管线采用镍、蒙乃尔高强度耐蚀镍铜合金、耐蚀镍基合金、316L不锈钢和聚合物。
同时，用作气体分析仪80的RGA-QMS(残留气体分析仪—四极质谱仪)已商业化，并可以按下方式操作，即，对用于处理室或残留于其中的气体取样，并使之与被70eV加速的电子碰撞，以便被电离。然后，保持均匀DC和AC的四极质谱仪根据该电压仅通过具有特定荷质比的离子，以得到质谱。借助从上述结果得到的离子组分，可以确定气体的结构。本发明所用RGA-QMS是一种可动系统，并且不象溅射处理中所用的普通OIS(敞开式离子源)那样，该离子源是一种CIS(封闭式离子源)，所以可以分析处理气体及整体气体(bulk gas)。
同时，利用取样歧管50内的(100/250微米)临界性管嘴，将取样压力均匀地控制在低于处理室压力之下。
图3展示了图2的CVD装置中处理分析和清洗处理的流程，下面将参照图3进行详细描述。
首先，进行RGA-QMS应用评价。即，将气体分析仪80与取样歧管50连接，并在关闭了第一气阀62和第三气阀60，及打开第二和第四气阀66和64后，连续供应N2气，以冲洗RGA-QMS。然后，在关闭了第四气阀64且打开了第一气阀62后，从处理室10取样。同时，如果必需控制处理室10和取样管54的压力，则可以通过根据CM计76所指示的压力操作取样泵90进行。
然后，评价RGA-QMS的低温干燥情况。即，在RGA-QMS室(未示出)内放置了四极质谱仪后，进行低温干燥以降低背景。由于RGA-QMS是对自身的污染很敏感的设备，所以可以通过分析每次关于水和氧元素污染的评价确定其污染程度。因此，在污染程度高时，在约250℃低温干燥RGA-QMS室，并在约150℃低温干燥取样歧管，以最小化污染，并控制污染程度。即，通过进行低温干燥，监测每种分子污染(H2O，H2，O2，Ar，CO2等)分压的大小(PPM)，即密度，并通过低温干燥加速污物的排放，以便降低RGA-QMS的本底。
然后，分析气体管的污染。即，为了分析每种处理气体(SiN4，PH3，N2)的供应管线，分别向每种处理气的供应管线单独引入500SCCM的N2气，然后对处理室内气体取样并分析，从而确定每种供应管线是否有泄漏。
然后，对半导体晶片进行特定处理，之后，取样以分析该工艺。同时，例如，在DRAM工艺的存储多晶硅淀积工艺中，利用形成于RGA-QMS的取样歧管上的临界管嘴，连续在冲洗前后及淀积步骤中取样，取样歧管保持低于0.9乇的压力，即处理室的压力。
图4展示了存储多晶硅形成工艺的分析走向。
在完成了对晶片的特定处理后，从处理室取出装有晶片的船，并排放处理室中的废气。
然后，进行ClF3现场清洗工艺并进行分析。即，在淀积48000埃厚的存储多晶硅层的情况下，均匀地用2800SCCM的N2气和700SCCM的ClF3气腐蚀处理室内的附着层。
然后，优化清洗工艺方案。即，为了在进行清洗工艺的同时确定清洗工艺的EPD(结束点检测)，在保持清洗气体流量(2800SCCM的N2气和700SCCM的ClF3气)的同时，交替且重复地改变处理室的压力和温度以分析清洗工艺。
与存储多晶硅形成工艺分析类似，利用保持处理室压力范围(例如0.9-1乇)的取样歧管上的临界管嘴，在整个清洗过程中进行EPD清洗工艺，从而进行分析。
图5展示了存储多晶硅淀积工艺后利用RGA-QMS对现场清洗工艺的分析走向。
如图5所示，整个清洗工艺主要分为三步，即，第一步是清洗前的真空处理和冲洗处理，根据图5，从0扫描到50扫描间的时间对应于该步。第二步进行腐蚀，从50扫描到约280扫描间的时间对应于该步。第三步是完成了第二步的腐蚀处理后的真空处理和冲洗处理，该步对应于280扫描后的时间。
如图5所示，清洗工艺的EPD为280扫描附近的区域，如箭头所指。由于引入清洗气ClF3产生的F、Cl基团腐蚀形成于处理室内壁上的含硅层，实际上，腐蚀多晶硅层的腐蚀剂HF+(20原子质量单位)，F+(19原子质量单位)在第二腐蚀步骤中有效地与Si+反应，由此产生了反应产物SiF3 +(85原子质量单位)和SiF+(47原子质量单位)。即，腐蚀剂HF+(20原子质量单位)和反应产物SiF3 +(85原子质量单位)的交点，280扫描区为EPD。
同时，在进行了同样的存储多晶硅淀积工艺后，通过改变处理室的压力和温度及ClF3的流量，并确定每种情况下的EPD，可以缩短和优化每步清洗工艺的处理时间，从而得到优化的压力、温度和流量。上述优化结果如图6-8所示，图6是根据本发明一个实施例的清洗处理过程中相关的腐蚀速率与处理室内部压力的关系曲线图，图7是根据本发明一个实施例的清洗处理过程中相关的腐蚀速率与处理室内部温度的关系曲线图，图8是根据本发明一个实施例的清洗处理过程中相关的腐蚀速率与处理室内ClF3流量的关系曲线图。
同时，通过监测清洗处理前/后处理室内的颗粒，检测清洗效果，另外，利用TXRF(全反射X射线荧光)/HPIC(高效离子色谱法)测量处理前/后的金属/离子污染，例如Fe、Cr、Ni、Zn、Ti、S、Cl、F、NH4等，由此可以检测清洗效果。
因此，根据本发明，不用拆下处理炉管，可以现场清洗处理室，所以可以延长设备的寿命，而且可以缩短清洗时间，提高生产率。
此外，根据本发明，可以优化现场清洗工艺，所以可以延长设备的寿命，缩短清洗时间。
而且，根据本发明，可以连续监测和分析晶片的各处理过程，所以防止了处理的误差，因而可以提高产生率。
再者，尽管已具体描述了本发明，但应明白，在不背离所附权利要求书所限定的精神实质和范围的情况下，可以做出各种改变、替换和变形。

Claims (23)

1.一种制造半导体器件的化学汽相淀积(CVD)装置，包括：
在其中进行制造半导体器件的淀积处理的处理室；
为处理室供应处理气体的多个处理气体供应管线；
废气排放管线，用于在处理后借助泵抽装置将处理室内的废气排放出去；
清洗气体供应管线，用于向处理室内供应清洗气体；
与处理室相连的取样歧管，用于借助压差从处理室取出气样；及
气体分析仪，用于分析从取样歧管取出的气样，
其中在取样歧管上装有临界管嘴，以保持其中的压力与处理室中的压力相同。
2.如权利要求1所述的装置，其中处理室是低压CVD室，包括密封的外管和其上端敞开的位于外管内的内管，清洗气体是ClF3气，清洗气体供应管线与内管通过管道连接。
3.如权利要求1所述的装置，其中处理室是低压CVD室，包括密封的外管和其上端敞开的位于外管内的内管，取样歧管与外管管道连接。
4.如权利要求1所述的装置，其中与外管连接连接点起，取样歧管依次包括第一气阀、第二气阀、第一隔离阀、第二隔离阀、第三隔离阀及门阀。
5.如权利要求4所述的装置，其中取样歧管中还装有冲洗气供应管线。
6.如权利要求5所述的装置，其中取样歧管的冲洗气供应管线与分别来自冲洗气供应源的第一和第二气阀连接，它们之间还分别设置有第三和第四气阀。
7.如权利要求4所述的装置，其中取样歧管的第一隔离阀和第二隔离阀之间还装有电容压力计(CM)和取样泵。
8.如权利要求4所述的装置，其中取样歧管的第一、第二和第三隔离阀的管嘴分别为100微米、100微米和250微米。
9.如权利要求7所述的装置，其中还装有清洗通过废气排放管的泵抽装置的废气的清洗器，通过取样泵的气体通过清洗器排放。
10.如权利要求1所述的装置，其中气体分析仪为包括质量分析仪、涡轮泵和低温干燥泵的RGA-QMS(残留气体分析仪—四极质谱仪)。
11.如权利要求10所述的装置，其中还装有清洗通过废气排放管的泵抽装置的废气的清洗器，通过气体分析仪的气体通过清洗器排放。
12.如权利要求1所述的装置，其中取样歧管采用由经过电抛光处理的不锈钢制造成的管道。
13.一种驱动制造半导体器件的CVD装置的方法，其中CVD装置包括：处理室；为处理室供应处理气体的多个处理气体供应管线；废气排放管，用于在处理后将处理室内的废气排放出去；清洗气体供应管线，用于向处理室内供应清洗气体；与处理室相连的取样歧管；及气体分析仪，用于分析从取样歧管取出的气样，该方法包括以下步骤：
(a)由取样歧管取出处理室的气体样品；
(b)低温干燥气体的同时排气，以便将分析仪的本底减少到一定值；
(c)对每个处理气供应管线进行污染分析；
(d)对放置于处理室中的半导体晶片进行特定的处理；
(e)在上述处理完成后取出半导体晶片，并排出处理室内的废气；及
(f)在现场供应清洗气体的同时清洗处理室内部，
其中取样歧管上配有管嘴，以便保持其中的压力与处理室的压力相同。
14.如权利要求13的方法，其中清洗气是ClF3，气体分析仪是包含质谱仪的RGA-QMS(残留气体分析仪—四极质谱仪)。
15.如权利要求14的方法，其中在取样前利用冲洗气连续冲洗取样歧管和气体分析仪。
16.如权利要求13的方法，其中在取样歧管的中间装有具有与通向气体分析仪不同管道的取样泵，以控制取样气体的压力。
17.如权利要求13的方法，其中使氮气流过每个单独的处理气体供应管线，并检测其是否泄漏，由此对处理气体供应管线进行污染分析。
18.如权利要求13的方法，其中半导体晶片的制造工艺是在晶片上形成包括硅的层的工艺。
19.如权利要求13的方法，其中在保持处理室内均匀的压力和温度的同时，均匀地供应作为清洗气的氮气和ClF3气，由此进行清洗处理。
20.如权利要求13的方法，还包括在清洗处理前/后测量处理室内颗粒的步骤。
21.如权利要求13的方法，还包括在清洗处理前/后测量处理室内金属/离子污染物的步骤。
22.一种优化处理室清洗工艺方案的方法，其中所述清洗工艺在对设置于处理室内的晶片进行了特定处理后，利用为处理室供应清洗气体的清洗气体供应管线、与处理室相连的取样歧管及分析来自取样歧管的取样气体的气体分析仪现场进行，该方法包括：
(a)在对半导体晶片进行了处理后，通过在保持处理室内部压力和温度恒定的同时，供应作为清洗气的氮气和ClF3直到气体分析仪探测到清洗结束点，由此清洗处理室；以及
(b)在对另一半导体晶片进行了同样的处理后，通过供应作为清洗气的氮气和ClF3，改变处理室内部压力和温度直到气体分析仪探测到清洗结束，由此清洗处理室。
23.如权利要求22所述的方法，其中利用腐蚀气体和腐蚀产物的幅值的交点确定气体分析仪的结束点。
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